基于“保險絲”概念的組合摩擦型路橋防超載裝置設計

張棟培， 吳二軍， 汪基偉

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

隨著我國公路和橋梁建設的蓬勃發展，載重車輛所占比重也不斷增加。車輛超載不但會引起橋梁垮塌事故[1]，還會導致路橋結構的嚴重損傷[2-3]，縮短其正常使用壽命[4-6]，給國家帶來巨大的經濟損失[7]。

長期以來，交管部門持續加大對車輛超載的查處，并引入了超載稱重系統[8]。目前，超載稱重系統共有兩種，分別是靜態稱重系統和動態稱重系統[9]。靜態稱重系統通過電子地磅測重，具有精確度高的優點，但過程繁瑣，且無法自動放行非超載車輛，影響路面通行效率，多用于通過限載以維護車輛安全，減少交通事故。動態稱重系統可以在不中斷交通的情況下對車輛測重。Moses[10]于1979年首次提出橋梁動態稱重的概念，基于橋梁跨中動應變響應提出了Moses算法并實現對移動車輛動態稱重。Rowley等[11]將Tikhonov正則化方法應用于Moses算法中，改善了算法的魯棒性。Quilligan[12]提出二維橋梁動態稱重算法，結合測點影響線與車輛的橫向位置，得到測點影響面進行軸重計算，改善了一維影響線計算的不足。此外還有Ojio等[13]提出的應變面積法和Kim等[14]提出的人工神經網絡法等其他動態稱重理論。在動態測重檢測裝置方面，陳廣華等[15]根據鋼板彈簧懸架的變形量與車輛載重的對應關系，提出了基于嵌入式系統和粘貼式應變傳感器的車輛超載動態監測裝置。梁益彰等[16]基于STM32提出了高速公路汽車超重監測系統；林穎等[17]基于ARM提出了動態車載稱重系統。然而，目前動態稱重系統受車輛振動、路面不平整、車輛急停或沖稱等干擾影響較大，測重精度不高[18]，并且不能及時對超載車輛給出自動限行處理措施。

針對上述問題，本文以維護道路橋梁安全為目標，提出道橋“保險絲”概念，并基于此設計了一種組合摩擦型路橋防超載裝置，本裝置能夠實現對超載車輛的自動判別和限行。

1 裝置的構造組成及其工作原理

1.1 功能目標

組合摩擦型路橋防超載裝置設計目標為：(1)自動判斷車輛是否超過路橋的限載，做出不同反應；當車輛不超載時，車輛可以正常通行；(2)車輛通行無明顯的進出跳車現象；(3)當車輛超載時，裝置立即限行并報警，同時保證車輛安全；(4)裝置能夠實現自動復位；(5)安裝、維修方便，低成本；(6)對環境氣候有良好的適應性。

1.2 裝置的構造組成

組合摩擦型路橋防超載裝置的結構構造如圖1所示，其中圖1(a)和圖1(b)分別為裝置剖面圖和裝置俯視圖。

圖1 組合摩擦型路橋防超載裝置結構構造圖Fig.1 Structural diagram of t the road and bridge anti-overload facility for combined friction

研究裝置由臺座、滑塊組、限位復位裝置和報警警示裝置組成。其中，臺座通過鋼筋錨環與道橋路面錨固。滑塊組由左滑塊、中央滑塊和右滑塊組成，與臺座相連，并在連接處分別設置斜面摩擦副或水平摩擦副。限位復位裝置由限位部件和復位部件組成，限位部件包括橫向限位槽和斜向限位彈簧；橫向限位槽設置在臺座及滑塊組之間的連接處，起到限制裝置橫向傾覆的功效；4個斜向限位彈簧在每個車道間按雙軸對稱放置，通過斜向牛腿與臺座和左滑塊連接。復位部件包括斜向復位千斤頂和水平復位千斤頂。報警警示裝置通過電路與滑塊組和帶邊框臺座相連，并在電路中串聯測重減速牌、超載報警器和超載信號燈。電路的觸發裝置由彈簧電極和金屬觸板組成，分別安裝在臺座和左滑塊的斜向牛腿上。

1.3 工作原理和運行過程

研究裝置按車道分別布置，并在車輛進入裝置之前在車道之間設置分流路障和測重減速提示牌。當車輪接觸左滑塊表面時，通過車輛與裝置的自重及滑塊組之間的滑動摩擦力共同形成的平衡力系來實現自動判別車輛是否超載并阻止超載車輛通行的功能。當非超載車輛行駛至本裝置時，滑塊組保持靜止，車輛可正常通過本裝置；當超載車輛行駛至本裝置時，滑塊組產生滑移，左滑塊沿帶邊框臺座下沉，推動中央滑塊向右平移，使右滑塊受壓抬升，中央滑塊和右滑塊阻止超載車輛通行，從而保護路橋。當車輛超載使滑塊組發生滑移時，左滑塊底部的斜向限位彈簧可減少滑塊下沉速度，保護車輛。橫向限位槽使各車道內的裝置互不干擾，且避免車輛偏心行使時裝置的偏轉或傾覆。當滑塊組滑動位移超過限值時，報警警示裝置電路接通，發出警報聲提示司機超載。管理部門接到報警處理超載事件后，啟動斜向復位千斤頂沿其傾斜角度向上推動左滑塊使其恢復原位置，啟動水平復位千斤頂向左推動中央滑塊使其復位，同時右滑塊回落自動復位，沉陷車輛可以駛出。

2 裝置的參數分析

2.1 車輛限載值的推導

本文針對車輛整車超載平衡工況，分析防超載裝置的受力狀態，并推導車輛限載重量G0。在車輛整車超載平衡工況下，裝置處于極限平衡狀態，設車輛重心和左滑塊重心重合，且下部斜向限位彈簧未受力。裝置受力分析各參數如圖2所示，滑塊組的左、中、右滑塊的受力狀態參見圖3。

圖2 裝置受力分析參數示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress analysis parameters of the facility

圖2、圖3中，該裝置主要的參數分為三類：滑塊自重G，滑塊傾角θ和接觸面摩擦系數μ。根據不同位置和幾何尺度編號如下：G1為左滑塊自重，G2為中央滑塊自重，G3為右滑塊自重；θ1為左側墩臺傾角角度、左滑塊兩側傾角角度和中央滑塊左側傾角角度，θ2為右側墩臺傾角角度、右滑塊兩側傾角角度和中央滑塊右側傾角角度；μ1為傾斜面摩擦對摩擦系數，μ2為水平面摩擦對摩擦系數。

圖3 車輛整車超載平衡工況下滑塊組受力示意圖Fig.3 Stress diagram of the slider group under the whole vehicle overload ultimate equilibrium condition

在車輛整車超載平衡工況下，滑塊組的左、中、右滑塊的受力示意圖如圖3所示，滑塊組的幾何尺寸以及水平和豎向力系平衡條件，聯立求得車輛重量G0的計算表達式為：

G0=2N1(μ1sinθ1+cosθ1)-G1

(1)

N1=N2=

(2)

(3)

G1=ρgbh(l1-hcotθ1)

(4)

G2=ρgbh[2l2+1.5h(cotθ1+cotθ2)]

(5)

G3=ρgbh(l3-hcotθ2)

(6)

式中：ρ為鋼筋混凝土密度；g為重力加速度；b為滑塊厚度，與車道寬度保持一致；h為滑塊剖面梯形高度；li為滑塊上表面長度，i=1,2,3分別表示左側、中央和右側滑塊；Ni、Fi分別為：各滑塊之間或滑塊與臺座接觸面之間的支持力、摩擦力，i=1,2,3,4,5分別表示臺座左側墩臺斜面與左滑塊左側斜面、左滑塊右側斜面與中央滑塊左側斜面、中央滑塊右側斜面與右滑塊左側斜面、右滑塊右側斜面與臺座右側墩臺斜面和中央滑塊底面與臺座底面。

將式(2)—式(6)代入式(1)即可求得本裝置最大允許通行荷載值G0。從圖3和公式組來看，顯然本裝置是一個聯動力系，G0受每個滑塊的尺寸與重量、每個滑動摩擦副的摩擦系數和傾角控制。設路橋允許車輛通行荷載值為Gu，則本裝置控制的車輛荷載G0應當滿足G0≤Gu。

2.2 彈簧彈性系數確定

當車輛超載使滑塊組發生滑移時，為減少滑塊下沉速度、保護車輛，在臺座與左滑塊的斜向牛腿之間設置斜向限位彈簧。在超載滑移平衡工況下，滑塊組處于限位平衡狀態，左滑塊的受力示意圖如圖4所示(中央、右側滑塊受力簡圖同圖3(b)、圖3(c)。

圖4 超載滑移平衡工況下左滑塊受力示意圖Fig.4 Stress diagram of left slider under the overload slip equilibrium condition

設右滑塊向上移動距離為s,左滑塊彈簧斜向位移增量為x，每個車道雙軸對稱放置2對4個斜向限位彈簧，其傾斜角度與左滑塊左右兩側傾斜摩擦面傾角相同。根據滑塊組的位移關系以及水平和豎向力系平衡條件，聯立求得彈簧彈性系數的計算表達式為：

(7)

(8)

N1=

(9)

(10)

(11)

將式(8)—式(11)代入式(7)，即可求得單個彈簧的設計彈性系數。

2.3 復位千斤頂額定荷載值

復位部件包括斜向復位千斤頂和水平復位千斤頂，斜向復位千斤頂設置在左滑塊底部和帶邊框臺座矩形承臺內側對應的斜向牛腿之間，每個車道雙軸對稱放置4個斜向復位千斤頂，其傾斜角度與左滑塊左右兩側傾斜摩擦面傾角相同，水平復位千斤頂放置在帶邊框臺座右側階梯形墩臺上，位于中央滑塊右側，每個車道軸對稱放置2個水平復位千斤頂。當超載監管人員給出處理意見后，本裝置需復位，以便超載車輛駛出。此時啟動斜向復位千斤頂沿其傾斜角度向上推動左滑塊使其恢復原位置，啟動水平復位千斤頂向左推動中央滑塊使其復位，同時右滑塊回落自動復位。因此，不考慮左滑塊與中央滑塊的接觸擠壓和滑動摩擦。在千斤頂頂升復位工況下，裝置滑塊組的受力簡圖如圖5所示。

圖5 千斤頂頂升復位工況下滑塊組受力示意圖Fig.5 Stress diagram of the slider group under the jack jacking reset condition

由滑塊組受力狀態及平衡條件，求得水平復位千斤頂額定荷載值F橫和斜向復位千斤頂額定荷載值F斜的計算表達式為：

(12)

(13)

(14)

N5=G2+N3(μ1sinθ2+cosθ2)

(15)

N1=cosθ1(G0+G1)

(16)

將式(14)—式(16)分別代入式(12)和式(13)即可求得水平和斜向復位千斤頂所需最小額定荷載值。

3 裝置的設計方法與算例

3.1 裝置的設計方法

研究裝置的基本設計步驟如下：(1)首先根據路橋限載值選擇主要控制車型，根據主控車型選擇左滑塊尺寸。當大型車輛經過小尺寸限載裝置時，部分輪壓超載也會引起裝置產生滑移。斜面傾角宜控制在40°～75°之間，所需限載值較大時，選取較小斜面傾角。(2)選擇摩擦副和摩擦系數。可優先選擇摩擦系數穩定的耐候鋼摩擦副。摩擦系數在常見的0.2～0.6之間選擇即可；當所需限載值較大時，選擇較大的摩擦系數。(3)根據車輛整車超載平衡狀態方程計算可得裝置允許通行車輛的荷載限值，該限值不大于路橋限載值。考慮到材料摩擦系數的變異性，可取G0≤0.8Gu。(4)根據超載滑移平衡狀態方程，規定右滑塊抬升距離，求得限位彈簧彈性系數，選擇彈簧型號。彈簧型號選擇時，應考慮超載2～3倍時，滑塊抬升位移會超限，此時可考慮通過水平和斜向復位千斤頂進行輔助限位。(5)根據復位千斤頂頂升復位平衡狀態方程，計算復位所需頂升力，選擇復位千斤頂型號。計算所需額定荷載時，車輛重G0宜按道路限載值Gu的2倍以上選擇。

3.2 設計算例

設某橋梁限載35 t。則裝置設計選取30 t貨車為例計算。取ρ=2 500 kg/m3；g=9.8 m/s2；b取車道寬度3.5 m；h=0.5 m。貨車長度為9.6 m，則取左側滑塊上表面長度l1=10 m，中央滑塊長l2=1 m，右側滑塊長l3=2 m。斜摩擦副系數μ1和水平摩擦副系數μ2均取0.3，代入式(1)—式(16)中，計算得左滑塊自重G1=304.95 kN，中央滑塊G2=122.88 kN，右滑塊G3=152.74 kN，求得車輛限重G0=327.22 kN，即為32.72 t，符合限載要求。若車輛超載，假定右滑塊向上抬升距離s=0.5 m，則彈簧彈性系數k=134 kN/m。計算橫向復位千斤頂額定荷載值F橫=6.65 kN，斜向復位千斤頂額定荷載值F斜=160.58 kN，則分別選2 t和50 t復位千斤頂，荷載儲備系數略大于3。

4 關于裝置測重的精度與氣候環境影響的討論

研究裝置初始安裝時，測重精度取決于滑塊組之間、中央滑塊與底座之間摩擦副的摩擦系數的離散性。對特定材料的摩擦副，其摩擦系數的取值范圍仍然較大，如采用耐候鋼摩擦副時，摩擦系數在0.2～0.4之間。為了得到具體摩擦系數值，裝置設計后明確選用的摩擦系數值后，可通過對摩擦副的表面進行加工處理。比如選擇設計摩擦系數為0.3，加工前摩擦副摩擦系數大于0.3，則需要進行磨光處理，直到誤差小于允許值(本文建議誤差不大于10%)，然后安裝至裝置中，澆筑滑塊組混凝土。摩擦系數的測試方法對結果有一定影響，通常不會超過10%[19]。這樣，裝置的實際測重和理論測重有可能出現20%以內的誤差，因此3.1節中建議，裝置設計額定限載值(標示限載值)取路橋保護限載值的0.8倍(路橋保護限載值指根據路橋安全或耐久性保護目標由設計人員提供的限載值，小于等于承載力設計值)。

長期應用于戶外，粉塵、雨雪等氣候條件不可避免對摩擦副的摩擦系數產生影響，從而影響測重精度。為避免外部環境影響，可在道路橫向接縫處設置形如減速帶的防滲橡膠帶，橡膠帶上部為耐磨層，下部為膨脹橡膠層，固定在相對滑移后路面較高一側滑塊上，另一側懸空。當車輛不超載時，滑塊組上表面齊平，防滲橡膠帶帶有一定壓力與路面接觸，阻擋粉塵、雨雪接觸摩擦副。當車輛超載，滑塊組發生滑移，粉塵、雨雪沿著摩擦副的溝槽排入臺座底部的排水槽，減少粉塵、雨雪對摩擦副的侵蝕。

在裝置安裝完成投入使用前，應采用超載車輛駛入進行性能測試。當測試結果和設計目標限載值誤差大于5%時，可通過對斜向限位彈簧施加預加變形進行調整。當實際測重大，斜向限位彈簧初始狀態為受拉；當實際測重小，斜向限位彈簧初始狀態為受壓。

5 結論

本文提出路橋“保險絲”的概念，并基于此概念設計一種組合摩擦型路橋防超載裝置。通過車輛與裝置形成的平衡力系成立與否，控制滑塊組的滑移，實現自動判別超載車輛并限行的功能，起到維護路橋安全性與耐久性的作用。同時非超載車輛可正常通過裝置，不影響通行效率。給出裝置3種工況下的滑塊組平衡方程，推導求得車輛限載值、彈簧彈性系數和復位千斤頂額定荷載值等設計參數的計算公式，并通過算例驗證裝置設計方法的合理性。組合摩擦型路橋防超載裝置具有測重精度受環境氣候影響小、性能可靠、安裝維修方便等優點，在交通領域具有廣泛的應用前景。